Innere Kräfte – Stärke ohne Berechenbarkeit

Aus wie vielen Platten besteht die Erde?

Die Außenschale der Erde, also die Erdkruste, und die äußerste Schicht des Erdmantels (Lithosphäre) bestehen aus sieben großen und einem Dutzend kleinerer Platten.

Europa und ein Teil des Meeresbodens des nordöstlichen Atlantischen Ozeans etwa gehören zur Eurasischen Platte, die im Mittelmeer an die Afrikanische und im mittleren Atlantik an die Nordamerikanische Platte stößt. Die Lithosphäre wiederum grenzt an die Asthenosphäre, deren oberste Schicht aus leicht aufgeschmolzenem Gestein besteht, einer Art zähflüssigen Masse, auf der die Erdplatten »schwimmen«.

Die Kontinentplatten und die Platten, die den Meeresboden bilden, unterscheiden sich grundsätzlich: Die Kontinentblöcke sind mit einer Mächtigkeit von 80–120 km sehr viel dicker als die Meeresbodenplatten, die nur 30–70 km erreichen. Kontinente bestehen aus überwiegend granitischem Gestein, der Meeresboden setzt sich aus jüngeren vulkanischen Basaltgesteinen zusammen. Kein Teil der heutigen Ozeankruste ist älter als 200 Mio. Jahre.

An einigen Stellen der Erde sind die Trennlinien der Platten sichtbar. Ein Beispiel ist die San-Andreas-Störung in Kalifornien: Aus der Luft betrachtet kann man über hunderte von Kilometern die Linie verfolgen, an der die Pazifische Platte auf die Amerikanische Platte trifft. Noch fassbarer ist ein solcher Scheitel auf Island: In der teils nur wenige Meter breiten Zentralspalte bei Thingvellir treffen die Amerikanische und die Eurasische Platte aufeinander.

Warum wandern die Erdplatten?

Die Plattentektonik, also die Bewegungen der Erdkruste, wird von Strömen aus geschmolzenem Gestein angetrieben. Die meisten Wissenschaftler vermuten, dass die Konvektionsströme des geschmolzenen Gesteins zwischen dem heißen Erdmantel und der kühleren Erdkruste ausschlaggebend sind. Solche Konvektionsbewegungen treten auf, wenn flüssige Materie an der Unterseite erhitzt wird und an der Oberseite abkühlt – so wie bei einem Topf mit kochendem Wasser.

Die dynamischen Prozesse spielen sich an den Grenzen zu den benachbarten Platten ab. Von einer Transformplattengrenze wird gesprochen, wenn benachbarte Platten in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeigleiten, wie es etwa bei der San-Andreas-Störung in Kalifornien geschieht. Es kommt zu Reibungen, Krustenstücke verhaken sich. Dadurch erzeugte Spannungen können sich in Erdbeben entladen.

Wie entstehen eigentlich Unterwassergebirge?

Wenn sich die beiden Platten voneinander wegbewegen, kommt es zum Sea-Floor-Spreading. Zwischen den Platten bildet sich eine Bruchspalte, aus der permanent Lava aus dem Erdinneren hervorquillt. Aus dem Basaltgestein baut sich ein riesiger untermeerischer Gebirgszug, der mittelozeanische Rücken, auf. Die nachfließende Lava verdrängt das abgelagerte Gestein zu beiden Seiten, so dass sich die Erdkruste entlang der »divergenten« Plattengrenzen jedes Jahr um ein paar Zentimeter ausdehnt.

Übrigens: Wenn fortlaufend neue Erdkruste gebildet wird, muss es auch Orte geben, an denen alte vernichtet wird. Dies geschieht an konvergenten Plattengrenzen, an denen sich zwei Platten aufeinander zu bewegen. Dabei wird eine Platte gezwungen, unter die andere abzutauchen. Dieser Vorgang heißt Subduktion. Am Rand dieser Zone kann es zu gewaltigen Gebirgsbildungsprozessen kommen.

Können Gebirge ihre Form verändern?

Ja, sie tun es auch heute noch. Berge, Täler und Ebenen bilden das Relief der Erdoberfläche. Das, was auf den ersten Blick fest gefügt und unveränderlich erscheint, unterliegt einem ständigen Wandel.

Wo heute hohe Gebirge aufragen, erstreckten sich vor Millionen von Jahren Meeresarme. Hochebenen verschwanden in tiefen Gräben. Schöpfer der großen Formen sind Kräfte aus dem Erdinnern, die endogenen (von innen erzeugten) Kräfte. Wind, Regen und Eis nagen unaufhörlich am Relief und formen es um. Diese von außen wirkenden Kräfte bezeichnet man auch als exogene (von außen erzeugte) Kräfte.

Wie entstehen Berge und Gebirge?

Die meisten Gebirge entstehen durch die Kollision verschiedener Erdkrustenteile bzw. Platten. Gesteinsmaterial türmt sich auf. In Zonen, wo eine ozeanische unter eine kontinentale Platte abtaucht, kommt es zusätzlich zu vulkanischen Aktivitäten. Beispiele hierfür sind die amerikanischen Kordilleren mit ihren vielen Vulkanen. Auch wenn zwei kontinentale Platten aufeinanderprallen, kommt es zur Gebirgsbildung. Bekanntes Beispiel für diesen Vorgang sind die Alpen, wo die Afrikanische Platte auf die Eurasische driftet.

Der ungeheure Druck beim Zusammenschieben der Platten verformt und hebt die Gesteinsschichten der Erdkruste und des oberen Erdmantels. In der Tiefe reagiert das Gestein bei hohem Druck und hohen Temperaturen beweglicher als weiter oben. Ursprünglich horizontal geschichtete Sedimente und vulkanische Schmelzen werden unter Druck zuerst verbogen, bevor sie dann wie mehrere Lagen Stoff in viele Falten gelegt werden. Am Ende der Gebirgsbildung werden bei anhaltendem Druck die in der Tiefe gefalteten und übereinandergeschobenen Gesteinsschichten weit herausgehoben.

Übrigens: Kaum entstanden, unterliegen die Gebirge und Ebenen vielfältiger Umgestaltung. Temperaturunterschiede, Wasser, Wind und Schwerkraft formen die Landschaft durch Verwitterung, Abtragung und Ablagerung.

Gibt es Gebirge unter dem Meeresspiegel?

Ja, sogar die längsten der Erde. Auf dem Grund der Ozeane erstrecken sich in rund 4000 m Tiefe weite Ebenen. Aus ihnen erheben sich gewaltige Gebirge: die Mittelozeanischen Rücken. Diese Rücken durchziehen von Nord nach Süd mit Unterbrechungen den Atlantischen, Pazifischen und Indischen Ozean, so dass manche Forscher den Begriff nicht im Plural, sondern im Singular benutzen. Sie betrachten den Mittelozeanischen Rücken als ein zusammenhängendes Gebirgssystem, das sich über 60 000 bis 70 000 km hinweg erstreckt.

Gibt es heiße Glut im kalten Meer?

Die mittelozeanischen Rücken sind nicht nur das längste Gebirgssystem der Welt, sondern auch das vulkanisch aktivste: Sie bestehen vollständig aus vulkanischem Gestein. Ständig steigt aus dem Erdinneren Magma auf und ergießt sich als Lava auf die Meeresböden. Im Lauf des 20. Jahrhunderts brachten Wissenschaftler Beobachtungen zum Vulkanismus und Verlauf der Mittelozeanischen Rücken in Zusammenhang mit der Kontinentaldrift und entwickelten die Überlegungen weiter zur Theorie der Plattentektonik.

Übrigens: Bis ins 19. Jahrhundert hinein ahnte die Menschheit nichts von der Existenz eines riesigen Gebirgssystems unter dem Weltmeer. Erst als der Plan aufkam, ein Telegrafenkabel quer durch den Atlantischen Ozean von den USA nach Großbritannien zu verlegen, widmete man sich genauer der Erkundung des Meeresbodens der Tiefsee. Bei dem Versuch, exakte Lotungen vorzunehmen, stieß das britische Forschungsschiff »Challenger« 1873 auf den Mittelatlantischen Rücken, der auf halbem Weg zwischen Nordamerika und Europa bzw. Südamerika und Afrika verläuft.

Was macht Erdbeben so gefährlich?

Sie lassen sich nur schwer vorhersagen und können gewaltige Zerstörungen hinterlassen.

Ursache für Erdbeben und Vulkanismus sind Vorgänge tief unter der Erdoberfläche. Die großen Platten, die die äußere Hülle der Erde bilden, bewegen sich, und an ihren Rändern kommt es gehäuft zu diesen Erscheinungen. Die Bewegung geschieht sehr langsam, aber manchmal verhaken sich die Platten. Die sich dann aufbauenden Spannungen lösen sich, wenn die drückenden oder ziehenden Kräfte zu groß werden und es zu einer kurzen, aber schnellen Bewegung der Platten kommt. Diese ruckartige Bewegung wird an der Erdoberfläche als Erdbeben wahrgenommen. Kleinere Beben können auch durch den Einsturz von großen Hohlräumen oder durch unterirdische Atomtests ausgelöst werden.

Wo entsteht ein Beben?

Ein Erdbeben wird im Erdinnern ausgelöst; die Stelle bezeichnet man als Hypozentrum. Der Endpunkt der kürzesten Linie vom Hypozentrum zur Erdoberfläche markiert das Epizentrum, den Ort der stärksten Bewegung. Dieser Ort wird von unterschiedlichen Erdbebenwellen erreicht.

Im Wesentlichen werden drei Wellen unterschieden. Die Longitudinal- oder P-Wellen sind die schnellsten Wellen. Sie setzen sich parallel zur Gesteinsschichtung mit einer Geschwindigkeit von 13 km/h fort. Halb so schnell, aber gefährlicher sind die Transversal- oder S-Wellen, die das Gestein senkrecht durchqueren und es in starke Schwingungen versetzen. Nur an der Oberfläche treten die noch langsameren, zerstörerischen L-Wellen auf. P-Wellen durchqueren alle Formen von Materie und schwächen sich erst ab, wenn ihre Energie aufgebraucht ist. S-Wellen hingegen werden abgelenkt, wenn sie auf Flüssigkeiten treffen, die sie nicht durchdringen können.

Übrigens: Messungen der Wellen erlauben Rückschlüsse über den Aufbau des Erdinnern. So konnte man z. B. erschließen, dass der äußere Kern der Erde flüssig, der innere fest ist.

Wieso ist das Leben in Los Angeles riskant?

Los Angeles ist extrem erdbebengefährdet. Besonders häufig treten Erdbeben rund um den Pazifik auf. Dieser zirkumpazifische Feuerring ist das Resultat der Kollisionen der Pazifischen Platte mit der Eurasischen Platte im Osten und mit der Nordamerikanischen Platte im Westen. Einer der Orte, wo Erdbeben sehr wahrscheinlich sind, ist der Westen des US-Bundesstaates Kalifornien. Über 1100 km hinweg verläuft hier die San-Andreas-Störung, ein riesiger Riss in der Landschaft. Jährlich verschieben sich die Platten um 3–5 cm gegeneinander, genug, um täglich kleinere Beben auszulösen. Alle paar Jahre kommt es zu einem heftigen Beben, bisher blieben die Großstädte aber weitgehend verschont. Das Große Beben, »The big one«, könnte aber täglich eintreten.

Eine zweite Erdbebenzone zieht entlang der jungen Faltengebirge am Mittelmeer, also der Alpen und der Balkangebirge, über Kleinasien, Mittelasien und Indien hinweg bis hin zum Malaiischen Archipel, wo sie im indonesischen Raum auf den zirkumpazifischen Feuerring stößt.

Kann man sich gegen Erdbeben wappnen?

Nur unvollkommen. In den letzten Jahrzehnten wurde intensiv an der Erdbebenvorhersage gearbeitet, z. B. durch die Einrichtung neuer seismologischer Stationen. Von den Warnsignalen weiß man bislang nur, dass sie sehr unauffällig und schwer aufzuspüren sind. Es können veränderte Grundwasserstände, leichte Hebungen und Senkungen der Erdkruste oder schwache Erdstöße sein.

Ein großartiger Erfolg gelang 1975 chinesischen Seismologen. Zwei Tage, bevor ein schweres Erdbeben die Stadt Haicheng fast vollständig vernichtete, wurden ihre 90 000 Einwohner evakuiert. Als jedoch im darauf folgenden Jahr die Hafenstadt Tangshan ebenfalls von einem schweren Erdbeben erschüttert wurde, hatten die Wissenschaftler keine Alarmsignale bemerkt.

Der Schwerpunkt bei der Schadensbegrenzung liegt auf der Vorbeugung, insbesondere bei der Stadtplanung und dem Gebäudebau, sowie auf der Nutzung schneller Kommunikationsmittel. Die ungefährlichen P-Wellen eines Erdbebens werden als erstes gemessen, und da die Schadenswellen erst später eintreffen, versucht man diese Zeitspanne für sinnvolle Maßnahmen zu nutzen. In Japan werden etwa die Shinkansen-Schnellzüge bei einem Erdbeben durch elektrische Signale, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, gestoppt. In der Regel reicht die Zeit jedoch nicht für eine Warnung.

Was versteht man unter der Richter- oder Mercalliskala?

Beide Skalen dienen der Messung von Erdbebenstärken. Anfang des 20. Jahrhunderts legte der italienische Vulkanologe Giuseppe Mercalli (1850–1914) eine Tabelle vor, die helfen sollte, die Stärke eines Erdbebens zu kategorisieren. Sie schätzt die spür- und sichtbaren Auswirkungen eines Bebens ein. Die Skala besteht aus zwölf Stufen, die von »nicht fühlbar« (Stufe I) bis zu »totale Verwüstung und Veränderung der Landschaft« (Stufe XII) reichen.

Der erste moderne Seismograph wurde 1855 am Vesuv aufgebaut. Heute gibt es etwa 1000 solcher Erdbebenwarten, die bei einem Beben unterschiedliche Messungen vornehmen. Mit diesen Angaben kann man anhand der Stärke der aufgezeichneten Erschütterungen die Energiemenge berechnen, die das Erdbeben freigesetzt hat. Dieser Wert wird in der Einheit »M« für Magnitude angegeben, die auf den US-amerikanischen Seismologen Charles Francis Richter (1900–85) zurückgeht, der 1935 die nach ihm benannte nach oben offene Richterskala vorstellte. Eine volle Stelle auf der Richterskala bedeutet eine Verzehnfachung der Bebenstärke. Ein Erdbeben von 4 M ist also zehnmal so stark wie eines der Stufe 3 M. Weltweit werden pro Jahr etwa 150 000 spürbare Beben gemessen.

Was löst Tsunamis aus?

Auslöser der riesigen Flutwellen sind Vulkanausbrüche, Fels- und Eisstürze, vor allem aber schwere Seebeben. Die dem Japanischen entstammende Bezeichnung Tsunami bedeutet wörtlich »Welle im Hafen«.

Die Energie breitet sich im Wasser wellenförmig mit einer Geschwindigkeit von bis zu 800 km/h aus. Auf dem offenen Ozean ist die Flutwelle mit ihrem oft nur etwa 30 cm hohen Kamm kaum zu erkennen, weil sie weit ins Wasser hinabreicht. Anders an der Küste: Dort wird das unterirdisch heranrasende Wasser mit abnehmender Meerestiefe nach oben gedrückt und türmt sich zu einer gigantischen Flutwelle auf, die alles zerstört, was sich ihr in den Weg stellt. Am Ufer kündigt sich ein heranjagender Tsunami zunächst durch einen plötzlichen Rückzug des Wassers an.

Gibt es Flutwellen-Warnsysteme?

Am 26. 12. 2004 warnte keiner vor der Katastrophe. An diesem Tag erschütterte vor Sumatra ein Seebeben der Stärke 9 den Meeresboden und löste einen Tsunami aus – die Welle tötete mehr als 250 000 Menschen. Im Pazifischen Raum, der häufig von Tsunamis heimgesucht wird, gibt es ein computerüberwachtes Frühwarnsystem. Seine Zentrale ist das Pacific Tsunami Warning Center auf Hawaii, das ein Netz von Seismographen überwacht. Im Indischen Ozean soll ein solches Warnsystem mit deutscher Hilfe eingerichtet werden.

Was macht die Feuerberge so bedrohlich?

Der Ausbruch eines Vulkans ist neben einem Erdbeben das beeindruckendste Zeugnis von der Naturgewalt. Die Wirkung reicht oft weit über die Region des eigentlichen Geschehens hinaus: Asche und Staub, von Vulkanen in die Atmosphäre geschleudert, können das Weltklima beeinflussen. Flutwellen, durch auseinanderbrechende Vulkane ausgelöst, können Küsten verwüsten. Gegenwärtig sind auf dem Festland rd. 500 – 600 aktive und annähernd 10 000 erloschene Vulkane bekannt.

Wie unterscheiden sich Magma und Lava?

Magma kommt aus dem Erdinneren und wird als Lava bezeichnet, wenn es an der Erdoberfläche austritt. Beides ist also flüssiges Gestein.

In der Erdkruste und im oberen Erdmantel befindet sich in Tiefen von 75–250 km flüssig gewordenes Gestein. Die Erdkruste besteht aber aus einzelnen Platten, die ständig in Bewegung sind und vor allem an den Rändern Schwachzonen ausbilden. Dort wird Gestein eingeschmolzen bzw. geschmolzenes Gestein aus dem Erdinnern an die Oberfläche gebracht. Die Schmelze heißt Magma, eine mit Gasen gesättigte Gesteinsmasse.

Das Magma sammelt sich in Hohlräumen unter der Erdoberfläche, den Magmakammern. Von dort aus bildet es einen dünnen Kanal, den Schlot, der es bis zur Erdoberfläche führt, wo es als Lava austritt. Zu den aktivsten Zonen gehören die Mittelozeanischen Rücken und der zirkumpazifische Feuerring.

Gibt es gute und schlechte Vulkane?

Längst nicht alle Vulkane sind gefährlich. Die Art und Heftigkeit eines Vulkanausbruchs hängt von der chemischen Zusammensetzung und dem Gasgehalt des Magmas ab, die die Fließfähigkeit der Lava bestimmen.

Der Mauna Loa auf Hawaii, einer der aktivsten Vulkane, gibt ständig dünnflüssige basaltische, wenig gasreiche Lava von sich, die vom Krater abfließt. Durch die ständige Tätigkeit kann sich kein Stau bilden, und das vorhandene Gas entweicht. Zähes gasreiches Magma kann dagegen den Schlot verstopfen. Der entstehende Überdruck entlädt sich häufig in explosionsartigen Eruptionen. Ein bekanntes Beispiel ist der Mount St. Helens in den USA, der seit 1857 nicht mehr ausgebrochen war. Ein zum Teil erkalteter Pfropf verschloss die Magmakammer, in der sich eine große Menge Material ansammelte und einen enormen Druck aufbaute. Am 18. 5. 1980 explodierte die Spitze des Berges, und eine 19 km hohe Rauch- und Aschewolke transportierte seinen pulverisierten Gipfel davon.

Andere Vulkanausbrüche haben jedoch verheerende Wirkung. Als etwa der 2000 m hohe Krakatau zwischen Sumatra und Java in Indonesien 1883 explodierte, begann eine der schlimmsten Vulkankatastrophen: Die meisten der 36 000 Opfer starben durch einen Tsunami, eine Riesenwelle, die durch den Zusammensturz des Krakatau entstand. Heute gibt es nur noch den Anak Krakatau, einen 813 m hohen Vulkan.

Was geschieht mit der heißen Lava?

Die 1000–1300 °C heiße dünnflüssige Lava erreicht eine Fließgeschwindigkeit von bis zu 100 km und erstarrt zu einer glatten Fläche, der Fladenlava.

Falls die Oberfläche rascher erstarrt und es im Lavastrom zu Stauungen kommt, bildet sich die Seil- oder Stricklava, deren Struktur ausgeprägte Windungen aufweist, oder die aufgetürmte Schollenlava. Etwas zähflüssigere Lava reißt bei der Erstarrung auseinander und bildet die Brockenlava bzw. bei längeren Stücken die Aalava. Ein zähflüssiger Strom erkaltet an der Oberfläche rascher, im Inneren strömt er langsam weiter, reißt dabei die Oberfläche immer wieder auf und erstarrt in großen Blöcken: Diese Blocklava hat eine zerklüftete, rissige und scharfkantige Oberfläche. Bei besonders starker Zähflüssigkeit entsteht am Meeresboden durch die raschere Auskühlung die Kissenlava, ein rundliches, kissen- bis sackförmiges Gebilde mit unter einem Meter Durchmesser.

Übrigens: Nicht nur Lava, sondern auch handfesteres Material wird ausgeschleudert: große Gesteinsbrocken, die bis zu mehrere Kubikmeter umfassenden Bomben, kleinere Lapilli und feine Asche. Fällt diese auf die Erde zurück und verfestigt sich, bildet sie vulkanischen Tuff. Poröser, sehr leichter Bimsstein entsteht, wenn die Lava einen hohen Gasanteil hat. Die Lava erstarrt rasch, die Gase entweichen und zurück bleibt ein löchriger Stein, der so leicht ist, dass er im Wasser schwimmen kann. Besonders gefährlich sind Glutwolken. Beim Ausbruch des Montagne Pelée 1902 auf der Antilleninsel Martinique stürzte 800 °C heiße, mit Asche beladene Luft wie eine Lawine auf die Stadt Saint-Pierre herab und tötete 29 000 Menschen. Der einzige Überlebende saß im gut isolierten Gefängnis der Inselhauptstadt ein.

Leben Menschen in der Nähe von Vulkanen?

Ja, aber nicht freiwillig. Das starke Bevölkerungswachstum zwingt immer mehr Menschen dazu, unterhalb eines Vulkans oder in dessen Nähe zu wohnen. Präzise Vorhersagen über Zeitpunkt, Art und Stärke der Eruptionen werden daher immer wichtiger. Da allen Ausbrüchen Erdbebenaktivitäten vorhergehen, werden die aktiven Vulkane mit seismischen Messungen überwacht. Gleichzeitig zeichnen Überwachungsgeräte alle Oberflächendeformationen auf, die Hinweise auf eine Ausdehnung der Magmakammer liefern. Ein weiterer Indikator ist eine deutliche Änderung der austretenden Gase. Schließlich können Temperaturmessungen wichtige Daten liefern, da das aufsteigende Magma das umliegende Gestein erwärmt. Aus Mangel an Vergleichsdaten können Vulkanologen eine Eruption in vielen Fällen zwar vorhersehen, ihren exakten Zeitpunkt kennen sie jedoch nicht.

Kann ein Vulkan saubere Energie liefern?

Ja. In Vulkangebieten werden geothermische Kraftwerke betrieben, denn die Erde ist ein gigantischer Energiespeicher. Die Geothermie oder Erdwärme ist wesentlich umweltverträglicher als die Nutzung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas und im Unterschied zur Wind- und Sonnenenergie von Wetter und Tageszeit unabhängig. Außerdem gilt sie als unerschöpflich.

Gut zwei Drittel dieser Wärme entstehen durch radioaktive Zerfallsprozesse in den Tiefen der Erde. Beim letzten Drittel handelt es sich um Restwärme aus der Zeit der Erdentstehung. Bei Tiefenbohrungen auf dem Festland steigt die Temperatur mit jedem Kilometer um durchschnittlich 30–40 °C an. Nach dem heutigen Stand der Bohrtechnik lässt sich die Erdwärme bis in eine Tiefe von etwa 5000 m erschließen.

Je nach geologischen Gegebenheiten kann Erdwärme auf verschiedene Weise gewonnen werden. Grundsätzlich gelangt sie nur durch ein Medium wie Wasser oder Dampf an die Erdoberfläche. Geothermische Energie ist in den USA, in Japan, Indonesien, Mexiko, Neuseeland und Italien schon länger auf dem Vormarsch. Vorreiter ist aber Island. Schon jetzt werden fast 90 % aller isländischen Haushalte mit Warmwasser und Heizenergie aus Erdwärme versorgt. Außerdem spielt sie eine wichtige Rolle bei der Stromerzeugung. Im Nesjavellir Power Plant, dem größten geothermischen Heizkraftwerk weltweit, werden in jeder Sekunde 500–800 l heißes Wasser gefördert. Das Wasser deckt fast vollständig den Fernwärmebedarf der Hauptstadt Reykjavík.

Übrigens: Der Vulkanismus hat auch noch andere positive Seiten. Verwitterte Vulkanite machen den Boden sehr fruchtbar, so dass die Vulkanhänge seit jeher landwirtschaftlich intensiv genutzt werden. Von unseren Vorfahren in der Steinzeit ist bekannt, dass sie aus dem harten, aber gut spaltbaren Obsidian, einem vulkanischen Glas, besonders scharfe Klingen fertigten.